KR20220012045A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 모듈 프레임 바닥부와 상기 엔드 플레이트 사이에는 개구부가 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
이차 전지는 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 다양한 제품군에서 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존 제품의 사용을 대체할 수 있는 유력한 에너지 자원으로서, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생하지 않아 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.
최근 이차 전지의 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 이차 전지 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 다수의 이차 전지가 직렬/병렬로 연결된 전지 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 전지팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
한편, 복수개의 전지셀을 직렬/병렬로 연결하여 전지팩을 구성하는 경우, 적어도 하나의 전지셀로 이루어지는 전지 모듈을 구성하고, 이러한 적어도 하나의 전지 모듈을 이용하여 기타 구성 요소를 추가하여 전지팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임 및 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함한다.
도 1은 종래 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A 부분을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전지 모듈은, 복수의 전지셀(11)이 적층 형성되는 전지셀 적층체(10), 전지셀 적층체(10)를 수용하는 모듈 프레임(20), 전지셀 적층체(10)를 구성하는 복수의 전지셀(11)들의 양단에 돌출 형성된 전극 리드(12)를 포함할 수 있다.
또한 전극 리드(12)와 결합하는 버스바(40)가 장착되고 전지셀 적층체(10)의 전후면을 커버하는 버스바 프레임(41), 버스바 프레임(41)을 외측에서 커버하는 절연 커버(50), 절연 커버(50)를 외측에서 커버하는 엔드 플레이트(30) 및 전지셀 적층체(10)와 모듈 프레임 바닥부(21) 사이에 형성된 열전도성 수지층(60)을 포함할 수 있다.
전지 모듈의 냉각 기능과 관련하여, 종래에는 모듈 프레임 바닥부(21)와 전지셀 적층체(10)의 하측면 사이에 열전도성 수지층(60)이 형성되어 전지셀 적층체(10)로부터 발생하는 열을 외부로 전달하였다. 그러나 실제 전지셀에서 가장 열이 많이 발생하는 전극 리드(12) 및 버스바(40)가 배치된 부분에는 별도의 냉각 부품이 배치되어 있지 않은바, 전극 리드(12) 및 버스바(40)가 위치한 부분의 온도가 국부적으로 상승하여 전지 모듈 내부 부분들 사이의 온도 편차가 커짐으로써 전지 모듈의 전반적인 성능이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈 내부 부분들 간의 온도 편차를 최소화하고 전지셀들의 온도를 낮추어 냉각 성능을 향상시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 전지셀 적층체의 전후면에는 상기 복수의 전지셀로부터 각각 돌출 형성된 전극 리드들이 형성되고, 상기 전극 리드들과 상기 엔드 플레이트 사이에는 냉각 블록이 배치된다.
상기 엔드 플레이트와 상기 전극 리드들 사이에는 절연 커버가 형성되고, 상기 절연 커버의 개구부에 상기 냉각 블록이 삽입 결합될 수 있다.
상기 개구부의 내측 둘레에는 돌출부가 형성되고, 상기 냉각 블록의 둘레에는 홈부가 형성되며, 상기 돌출부는 상기 홈부에 삽입되어 상기 냉각 블록이 상기 개구부에 결합될 수 있다.
상기 절연 커버는 상기 냉각 블록이 상기 개구부에 인서트되어 사출될 수 있다.
상기 냉각 블록과 상기 전지셀 적층체 사이에는 버스바 프레임에 장착된 버스바들이 배치되고, 상기 냉각 블록과 상기 버스바들 사이에는 상기 냉각 블록 및 상기 버스바들과 접촉하는 냉각 패드가 부착될 수 있다.
상기 냉각 패드는 점성이 있는 재질로 형성되어 상기 버스바 및 버스바 프레임의 표면에 밀착할 수 있다.
상기 엔드 플레이트와 마주보는 상기 냉각 블록면에는 냉각 접착제가 도포될 수 있다.
상기 전지셀 적층체 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 사이에는 열전도성 수지층이 형성될 수 있다.
상기 냉각 블록은 절연성 또는 열전도성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은, 냉각 블록, 냉각 패드, 냉각 접착제 등의 냉각 부품이 전극 리드 및 버스바가 위치한 부분에 배치되어 전지 모듈 내부의 온도 편차를 최소화하고 전지 모듈의 전반적인 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1 및 도 3의 A-A 부분을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 절연 커버에 장착된 냉각 부품들의 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 블록이 절연 커버에 결합되는 모습을 나타낸 도면이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체(100), 전지셀 적층체(100)를 수용하는 모듈 프레임(200) 및 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(300)를 포함한다. 전지셀 적층체(100)의 전후면에는 복수의 전지셀(110)로부터 각각 돌출된 전극 리드(120)들이 형성되고, 전극 리드(120)들과 엔드 플레이트(300) 사이에는 냉각 블록(700)이 배치될 수 있다.
전지셀(110)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 상호 적층되어 전지셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 이러한 복수개의 전지셀은 각각 전극 조립체, 전지 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드(120)를 포함할 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(100)를 수용한다. 모듈 프레임(200)은 상하좌우면으로 형성되어 전지셀 적층체(100)의 상하좌우 네 면을 커버할 수 있다. 모듈 프레임(200)을 통해 모듈 프레임(200)의 내부에 수용된 전지셀 적층체(100)를 물리적으로 보호할 수 있다.
버스바 프레임(400)은 전지셀 적층체(100)의 전후면을 커버하도록 형성되어, 전지셀 적층체(100)의 전후면에서 복수의 전지셀(110)로부터 돌출 형성된 전극 리드(120)들과 연결될 수 있다. 보다 상세하게는, 버스바 프레임(400)에 장착된 복수의 버스바(410)에 버스바 프레임(400)을 관통하여 연장된 전극 리드(120)들이 결합됨으로써 전지셀(110)들과 버스바(410)들이 전기적으로 연결될 수 있다.
엔드 플레이트(300)는 전지셀 적층체(100)를 기준으로 버스바 프레임(400)의 외측에 각각 형성되어, 전지셀 적층체(100) 및 버스바 프레임(400)을 커버하도록 형성될 수 있다. 엔드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 버스바 프레임(400), 전지셀 적층체(100) 및 이와 연결된 여러 전장품을 보호하고, 동시에 전지셀 적층체(100)와 외부 전원과의 전기적 연결을 안내할 수 있다.
엔드 플레이트(300)와 버스바 프레임(400) 사이에는 절연 커버(500)가 삽입될 수 있다. 절연 커버(500)는 버스바 프레임(400)과 외부와의 전기적 연결을 차단하여 전지 모듈의 절연 성능을 확보할 수 있다.
열전도성 수지층(600)은 모듈 프레임 바닥면(210) 상에 형성될 수 있다. 열전도성 수지층(600)의 상측에는 전지셀 적층체(100)가 위치하여, 전지셀 적층체(100)로부터 발생하는 열을 전지 모듈의 외부로 전달할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 열전도성 수지층(600)은 써말레진(Thermal Resin)으로 형성될 수 있다. 열전도성 수지층(600)은 모듈 프레임 바닥면(210) 상에 형성된 복수의 주액 홀을 통해 열전도성 수지가 주액된 후 경화되어 형성될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 커버에 형성된 냉각 부품들에 대해 설명한다.
도 4는 도 3의 절연 커버에 장착된 냉각 부품들의 모습을 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 블록이 절연 커버에 결합되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 전극 리드(120)들과 엔드 플레이트(300) 사이에 냉각 블록이 배치된다. 보다 상세하게는, 엔드 플레이트(300)와 전극 리드(120)들 사이에는 절연 커버(500)가 형성되고, 절연 커버(500)상에 형성된 절연 커버 개구부(500a)에 냉각 블록(700)이 삽입 결합될 수 있다.
냉각 블록(700)은 절연성 또는 열전도성 물질을 포함하여 절연 커버(500)의 개구부(500a) 부분에서의 절연 성능을 확보함과 동시에 전극 리드(120)들과 버스바(410)로부터 발생하는 열을 외부로 전달할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 냉각 블록(700)은 절연성 및 열전도성을 가진 알루미늄, 질화 알루미늄 또는 알루미나를 포함할 수 있다.
종래에는 전지 모듈에서 가장 열이 많이 발생하는 전극 리드 및 버스바 부분에 냉각을 담당하는 부품이 배치되어 있지 않아 전극 리드 및 버스바가 위치한 부분의 온도가 국부적으로 상승하여 전지 모듈 내부 부분들 간의 온도 편차가 커질 수 있었다. 또한 전극 리드 및 버스바에서 발생하는 열이 외부로 배출되기 어려워 전지 모듈의 온도가 상승하고, 온도 상승으로 인해 전지 모듈의 성능이 저하될 우려가 있었다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 리드(120)들 및 버스바(410)가 배치된 부분에 냉각 블록(700)이 배치되어 전극 리드(120)들 및 버스바(410)에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 전극 리드(120)들 및 버스바(410)에서 발생하는 열이 냉각 블록(700)을 통해 엔드 플레이트(300)를 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 이와 같이 전지셀 적층체(100)에서 발생하는 열이 기존의 전지셀 적층체(100)의 하측에 위치한 열전도성 수지층(600)을 통해 하측으로 배출되는 열전달 경로 이외에도, 추가적으로 전지셀 적층체(100)의 전후면을 통해 외부로 배출되는 경로가 신설됨으로써, 열전달 경로가 다양화되고 이에 따라 전지 모듈의 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 냉각 블록(700)과 버스바 프레임(400)에 장착된 버스바(410)들 사이에는 냉각 블록(700) 및 버스바(410)들과 접촉하는 냉각 패드(800)가 부착될 수 있다. 냉각 패드(800)는 버스바(410) 및 버스바(410)의 외측면과 결합된 전극 리드(120)들과 직접 접촉함으로써 버스바(410) 및 전극 리드(120)들로부터 발생하는 열을 냉각 블록(700)으로 직접 전달할 수 있다.
냉각 패드(800)는 점성이 있는 재질로 형성되어, 요철이 존재하는 버스바(410) 및 버스바 프레임(400)의 표면에 밀착하게 됨으로써, 버스바(410) 및 전극 리드(120)들로부터 발생하는 열을 표면 접촉을 통해 계면 저항을 감소시키고 보다 효율적으로 냉각 블록(700)으로 전달할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 엔드 플레이트(300)와 마주보는 냉각 블록면에는 냉각 접착제(900)가 도포될 수 있다. 냉각 접착제(900)는 열전달 물질을 포함하며, 엔드 플레이트(300)와 냉각 블록(700) 사이의 계면 저항을 감소시키고 냉각 블록(700)으로 전달된 열을 엔드 플레이트(300)를 통해 외부로 효율적으로 배출시킬 수 있다. 본 실시예에 따르면 엔드 플레이트(300)는 열전도성이 뛰어난 알루미늄을 포함할 수 있다.
도 5에는 냉각 블록(700)이 절연 커버(500)에 결합되는 모습이 나타나 있다. 절연 커버(500)는 냉각 블록(700)이 개구부(500a)에 인서트되어 사출될 수 있다. 이를 통해 개구부(500a)가 형성된 절연 커버(500)의 강성을 획득할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각 블록(700)에는 홈부(700a)가 형성되고, 절연 커버 개구부(500a)의 내측 둘레에는 돌출부(500a1)가 형성되며, 돌출부(500a1)는 홈부(700a)에 삽입되어 냉각 블록(700)이 개구부에 결합될 수 있다. 이를 통해 냉각 블록(700)과 절연 커버(500)의 결속력이 강화될 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈은 전지팩에 포함될 수 있다. 전지팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전지셀 적층체
110: 전지셀
120: 전극 리드
200: 모듈 프레임
210: 모듈 프레임 바닥부
300: 엔드 플레이트
400: 버스바 프레임
410: 버스바
420: 커넥터
500: 절연 커버
500a: 절연 커버 개구부
500a1: 돌출부
600: 열전도성 수지층
700: 냉각 블록
700a: 홈부
800: 냉각 패드
900: 냉각 접착제

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 전지셀 적층체의 전후면에는 상기 복수의 전지셀로부터 각각 돌출 형성된 전극 리드들이 형성되고,
    상기 전극 리드들과 상기 엔드 플레이트 사이에는 냉각 블록이 배치되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 엔드 플레이트와 상기 전극 리드들 사이에는 절연 커버가 형성되고,
    상기 절연 커버의 개구부에 상기 냉각 블록이 삽입 결합되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 개구부의 내측 둘레에는 돌출부가 형성되고, 상기 냉각 블록의 둘레에는 홈부가 형성되며, 상기 돌출부는 상기 홈부에 삽입되어 상기 냉각 블록이 상기 개구부에 결합되는 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 절연 커버는 상기 냉각 블록이 상기 개구부에 인서트되어 사출되는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 냉각 블록과 상기 전지셀 적층체 사이에는 버스바 프레임에 장착된 버스바들이 배치되고,
    상기 냉각 블록과 상기 버스바들 사이에는 상기 냉각 블록 및 상기 버스바들과 접촉하는 냉각 패드가 부착되는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 냉각 패드는 점성이 있는 재질로 형성되어 상기 버스바 및 버스바 프레임의 표면에 밀착하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 엔드 플레이트와 마주보는 상기 냉각 블록의 냉각 블록면에는 냉각 접착제가 도포되는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 사이에는 열전도성 수지층이 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 냉각 블록은 절연성 또는 열전도성 물질을 포함하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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